《叶轮机设计制作与实验》.docVIP

《叶轮机设计制作与实验》 实验指导书 发动机气动实验室 2006年3月 叶轮机设计制作与实验 1 实验目的 1）掌握离心式压气机和向心式涡轮的基本气动设计方法； 2）掌握离心式压气机和向心式涡轮的基本性能测量。 2 实验内容及基本原理 2.1 实验内容 应用所学过的叶轮机原理基本知识，进行离心式压气机和向心式涡轮的气动设计，包括：压气机和涡轮共同工作参数确定、压气机和涡轮进出口速度三角形设计、叶型（中弧线）设计、转子和静子叶片数目确定等。加工和制作试验用压气机和涡轮，并进行压气机/涡轮的增压比/落压比、流量和转速等叶轮机基本性能参数的测量。 2.2 基本原理 1）基本方程： Δh*=Lu =ω(r2C2u -r1C1u) 方程给出了气流经过以角速度ω旋转的叶栅时的滞止焓的变化,Cu表示气流的周向分速度，该方程基于简单力学原理并且假定流动过程为绝热过程。当气流通过静子叶栅时（ω=0），滞止焓不变。对压气机来说，滞止焓变化Δh*为正值；对涡轮来说，滞止焓变化Δh*为负值。 当流动过程为不可压流动时: 其中ΔP*c和ΔP*T分别表示气流流经压气机和涡轮时的总压变化。 当空气从静止的大气环境中被吸入压气机时，在进入压气机时没有周向分速度，即C1u =0。当气体离开涡轮时，如果气流的周向分速度不为零，将会增加涡轮出口至真空泵进口管路中的流动摩擦损失。因此，在设计状态下，涡轮转子出口气流的周向分速度应该为零（C4u =0）。 压气机和涡轮的转子或静子的进、离心式压气机由动叶和静叶组成，动叶提高气体的动能和静压（静压升高约占总静压升的一半），静叶使气体的动能尽可能多地转换成静压升高。假定流动过程是无粘的，气体通过静叶时的静压升高可以用伯努力方程计算。实际的扩压过程远非等熵过程，实际扩压过程的压升小于等熵过程的压升，扩压效率通常为70%左右。 前弯 径向 后弯 转子叶片可以是如图所示的前弯、径向和后弯式，在转速一定的条件下，前弯角度越大，转子叶片出口的Cu越大，叶片对气体的加功量越大。或者在加功量一定的条件下（受涡轮所能发出的功率限制），动叶的前弯角越大所需要的旋转速度越小，转速越低，压气机或涡轮的机械损失（轴承中摩擦损失）越小，但是这将增加气体离开动叶时的绝对速度，增加气体在静叶中的静压升，同时也将增加静叶中的流动损失。因此，在设计转速较高时，转子叶片选择后弯叶型，可以在满足一定加功量的同时，获得较高的效率。 设计转速确定后，可以先选定动叶几何出口角β2，再根据加功量（涡轮输出功率）计算流量，这样做比预先选定转速和流量再算叶片几何出口角要容易些，最佳的β2值需经过较详细的计算才能确定，要从流动效率高和易于制造两个方面考虑来选择合适的值。 确定转速、eisner定义滑移因子σ： σ=1-（C2u，理想- C2u，实际）/u2 σ的值与许多因素有关，尤其是由叶片数目。常用经验关系式如下： σ=1-(cosβ2)0.5/ N0.7 其中N是叶片数。开始计算时，可初定σ=0.85，在初算时不改变σ的值，否则求解叶片数目的迭代计算可能会发散，在叶片数目确定以后，重新计算σ的值并代入计算。 理想的C2u计算很简单， C2u，理想=（u2+C2rtanβ2） 其中mc 为压气机流量，NT 为涡轮输出功率，C2r由连续方程求出： 其中h为转子叶片轴向宽度，将C2r代入能量方程，可得到求解流量的方程： 这是一个一元二次方程，mc 取其合理解（较小值解）。 给定转子出口半径r2、β2，并求出相应的流量，流量确定后可以计算出动叶进、 Nb为叶片数，h为叶片的轴向宽度，ΔPb表示叶片压力面和吸力面压差。 假定相对气流角与叶片几何角相等，则： 　　 Cu=u+Crtanβ β为半径r处的叶型几何角，其它参数确定后，上述两个式子决定ΔPb的大小。 在相同半径处，叶片两面的滞止压力是相等的，即： 　　　　Ps+0.5ρWs2=Pp+0.5ρWp2 其中下标s，p表示吸力面和压力面，W为气流的相对速度。 可以假设从压力面的Wavg-ΔW到吸力面的Wavg＋ΔW的相对速度是线性变化的，代入到上一个方程得： ΔPb=Pp-Ps=2ρWavgΔW 当ΔW=Wavg时，压力面的速度为零，对应流动从叶片表面分离。为防止分离发生，必须有ΔPb2ρWavg2，将此不等式代入叶片数目表达式（动量矩方程），得： 上式表明Wavg值越大，所需要的叶片数目将越少，这可以理解为在较高的Wavg下，叶片的压力面和吸力面之间可以有较大的压力差，而流动仍然不分离。 Wavg的值可由平均